Energias renováveis: utilização da energia geotérmica e das águas subterrâneas (sistema de circuito aberto) - vantagens, desafios e soluções.

Fontes de energia renováveis, como a geotérmica e o calor das águas subterrâneas, são fontes de calor que são "frescas no verão e quentes no inverno".

A temperatura do solo geralmente tende a se estabilizar em torno da temperatura média anual da região. A partir de aproximadamente 10 metros abaixo da superfície, a temperatura torna-se menos afetada pelas flutuações da temperatura da superfície, resultando em pouca variação entre o verão e o inverno. Acima de 200 metros, a temperatura aumenta devido à influência geotérmica. Entre 10 m e 200 m, uma temperatura constante é mantida ao longo do ano. Embora existam diferenças regionais, em Honshu, essa temperatura geralmente fica em torno de 12-18 °C.
Essa temperatura é mais baixa que a temperatura externa no verão e mais alta que a temperatura externa no inverno. É particularmente excelente como fonte de calor para ar condicionado e, utilizando-a de forma eficiente, é possível economizar energia no sistema de ar condicionado.

A diferença entre circuito fechado e circuito aberto (utilização de calor de águas subterrâneas)

Existem diversas maneiras de utilizar a energia geotérmica, uma fonte de energia renovável, mas a mais comum é o sistema de bomba de calor geotérmica, que recupera o calor geotérmico utilizando uma bomba de calor e o fornece na temperatura desejada. Os sistemas de bomba de calor geotérmica são ainda classificados em dois tipos, dependendo do método de recuperação de calor.

1. Sistema de circuito fechado
Atualmente, este é provavelmente o sistema mais difundido no Japão. Consiste em enterrar tubos (como tubos em U) no subsolo para recuperação de calor, circular um fluido refrigerante (anticongelante) por eles e enviar o calor para uma bomba de calor. Como o percurso do fluido refrigerante é fechado, é chamado de sistema de circuito fechado.

2. Sistema de circuito aberto (utilizando calor de águas subterrâneas)
Neste sistema, a água subterrânea é bombeada sem o uso de um fluido refrigerante e utilizada diretamente como refrigerante para transferir calor da água subterrânea para a bomba de calor. Como a água subterrânea está a uma temperatura quase idêntica à do solo, ela pode funcionar como refrigerante. Como a água subterrânea que transportou o calor é liberada (por meio de recirculação subterrânea, descarga, etc.), este sistema é denominado sistema de circuito aberto.

Circuito fechado e circuito aberto (do site da Associação de Promoção da Utilização de Energia Geotérmica)

Fontes de energia renováveis, como a geotérmica e o aquecimento por águas subterrâneas, são caras!? Por quê?

Como mostra o diagrama, quando falamos de bombas de calor geotérmicas, quase sempre nos referimos a sistemas de circuito fechado. Elas são atraentes devido à sua alta eficiência energética e ao fato de poderem ser instaladas em qualquer lugar, entre as fontes de energia renováveis. São uma fonte de calor que o governo espera que se torne mais difundida. No entanto, sua adoção ainda não é generalizada, e o principal motivo para isso é o seu alto custo. Os motivos pelos quais as bombas de calor geotérmicas, especialmente os sistemas de circuito fechado, são caros estão listados abaixo.

1. O custo de enterrar os canos é extremamente alto.
Para recuperar indiretamente a energia geotérmica utilizando um fluido refrigerante, este precisa circular no subsolo por distâncias muito maiores do que se imagina. Cálculos aproximados sugerem que uma capacidade de aquecimento de 10 kW (para um escritório de cerca de 20 tsubo) exigiria uma extensão subterrânea total de aproximadamente 100 m. Somente essa escavação custaria vários milhões de ienes, resultando em um sistema de ar condicionado extremamente caro. Mesmo considerando a economia nos custos de eletricidade devido à conservação de energia, seriam necessários mais de 20 anos para recuperar o investimento, tornando-o economicamente desvantajoso. Atualmente, esforços estão sendo feitos para contornar esse problema, reduzindo a profundidade da escavação e enterrando o fluido refrigerante horizontalmente, e os subsídios têm se tornado mais generosos, mas uma solução fundamental ainda não foi encontrada.

2. Existem poucas bombas de calor dedicadas.
Ao contrário das bombas de calor "refrigeradas a ar" comumente usadas em sistemas de ar condicionado e refrigeração, as bombas de calor utilizadas para aproveitamento de energia geotérmica são chamadas de "refrigeradas a água" porque utilizam um líquido como fonte de calor. No Japão, em particular, existem poucas opções de bombas de calor resfriadas a água, e ainda menos fabricantes produzem modelos adequados para o aproveitamento de energia geotérmica. O mercado ainda está em desenvolvimento, e o preço dos próprios equipamentos é um dos fatores que impulsionam os custos.

Situação atual da adoção de bombas de calor geotérmicas (Ministério do Meio Ambiente, 2017)

Por outro lado, a utilização da energia térmica das águas subterrâneas (método de circuito aberto) é a fonte de energia renovável mais rentável.

Em termos de rentabilidade, o sistema de circuito fechado é extremamente difícil de implementar, enquanto o sistema de circuito aberto, que utiliza o calor das águas subterrâneas, é um método altamente rentável em comparação com outras fontes de energia renováveis. O segredo reside no seguinte:

1. Custos de perfuração mais baixos em comparação com a perfuração em circuito fechado.
Ao contrário dos sistemas de circuito fechado, onde os custos de perfuração aumentam proporcionalmente à capacidade da instalação, a utilização de energia térmica subterrânea requer apenas a garantia do volume de água necessário, o que significa que mesmo sistemas de grande capacidade podem ser gerenciados com apenas um poço e alguns outros. Isso reduz significativamente os custos de perfuração e os custos iniciais de investimento.

2. Mais eficiente termicamente do que sistemas de circuito fechado.
Em um sistema de circuito fechado, a temperatura do refrigerante não pode atingir o mesmo nível da temperatura do solo para equilibrar os custos de perfuração e a eficiência térmica. Consequentemente, embora o objetivo seja utilizar calor a cerca de 15 °C, ocorre uma diferença de vários graus, impedindo a maximização da eficiência térmica. Em contrapartida, ao utilizar água subterrânea, o calor é fornecido à bomba de calor à mesma temperatura do solo, de modo que não há perda de temperatura e a eficiência pode ser maximizada.

3. A água subterrânea pode ser reutilizada após a utilização para aquecimento.
A água subterrânea que passou por tratamento térmico pode ser usada para irrigação, derretimento de neve e outros fins. Um tratamento adicional permite seu uso como água de reúso, contribuindo para a redução das contas de água e para a garantia de serviços essenciais durante desastres.

Com base no exposto, a utilização do calor das águas subterrâneas (método de circuito aberto) é um excelente método não só em termos de economia de energia, mas também em termos de rentabilidade.

perfuração de poços para aproveitamento do calor das águas subterrâneas

Razões pelas quais a utilização do calor das águas subterrâneas não está progredindo

Como mencionado anteriormente, o método de malha aberta possui características excelentes, mas, como evidenciado por sua adoção limitada, apresenta diversos desafios. Os seguintes problemas devem ser resolvidos antes da implementação.

1. Levantamentos de águas subterrâneas e respostas regulatórias
A disponibilidade de água subterrânea, a qualidade da água e as condições do solo variam de região para região, sendo necessário realizar uma investigação prévia para determinar se ela pode ser utilizada como fonte de calor. No entanto, tais investigações exigem a expertise de especialistas e não são fáceis.
Além disso, em algumas áreas, o afundamento do solo deve ser levado em consideração, e o uso deve ser baseado em regulamentos estabelecidos independentemente pelo governo local.

2. Desgaste em máquinas devido à qualidade da água (incrustações)
A água subterrânea contém muitos componentes, como cálcio, magnésio, sílica e ferro, que podem aderir a tubulações e trocadores de calor. Essa cristalização e adesão dessas substâncias é chamada de incrustação, o que leva à redução do desempenho dos equipamentos, corrosão e danos. A remoção dessas substâncias exige equipamentos complexos e custos significativos, comprometendo, assim, os benefícios do uso da água subterrânea para geração de energia térmica.

3. Equipamentos compatíveis insuficientes
Devido ao problema de incrustação mencionado no ponto 2 acima, a maioria das bombas de calor refrigeradas a água possui padrões rigorosos de qualidade da água, tornando praticamente impossível o uso direto de água subterrânea. Portanto, as soluções envolvem a remoção de componentes dissolvidos a um custo considerável ou o projeto do sistema para impedir a entrada direta de água subterrânea na bomba de calor por meio de trocadores de calor adicionais. No entanto, esses métodos resultam em perdas de calor e temperatura, aumentando significativamente os custos do equipamento e anulando as vantagens de um sistema de circuito fechado. Por esse motivo, a utilização de energia térmica proveniente de águas subterrâneas tem se limitado, até o momento, a áreas com qualidade da água excepcionalmente alta.

Tubulações obstruídas por incrustações

Levar o calor das águas subterrâneas a mais pessoas.

Em nossa empresa, temos trabalhado em diversos desenvolvimentos e avanços tecnológicos para solucionar os problemas associados ao uso do calor subterrâneo e permitir que mais pessoas se beneficiem do calor da água subterrânea como fonte de energia renovável.

1. Levantamento gratuito e garantia das condições das águas subterrâneas.
Aproveitando nossa longa experiência e conhecimento em tornar a água subterrânea potável, oferecemos inspeções gratuitas de fontes de água, mesmo para instalações que anteriormente não possuíam poços. Também oferecemos um pacote que combina um sistema de aproveitamento de calor da água subterrânea com um poço, completo com garantia. Este serviço minimiza o ônus e o risco para aqueles que consideram essa solução.

2. O uso direto de águas subterrâneas é possível através da adoção de trocadores de calor altamente duráveis e tecnologia de filtros catalíticos.
Nossas bombas de calor e trocadores de calor são produtos patenteados que utilizam materiais altamente duráveis e resistentes a produtos químicos, como o aço inoxidável SUS316 e o titânio, e têm sido usados há muitos anos, mesmo em áreas com água dura propensas à formação de incrustações. Além disso, desenvolvemos filtros com tecnologia catalítica patenteada em oito países ao redor do mundo e, ao integrá-los em um único sistema, conseguimos fornecer água diretamente às bombas de calor para uma ampla gama de condições de água subterrânea no Japão. É claro que existem limitações, mas estas podem ser superadas com a incorporação de mecanismos de limpeza química e melhorias no projeto do sistema, resultando em produtos altamente duráveis que podem ser usados até mesmo com água termal, águas residuais e água salgada, que possuem requisitos de qualidade da água mais rigorosos.

3. Projeto integrado, da fonte de calor à unidade de equipamento.
Anteriormente, as empresas de perfuração de poços, os fabricantes de bombas de calor e os projetistas de equipamentos operavam de forma independente, o que dificultava a otimização e as garantias. Como resultado, a implementação se tornava complexa e os equipamentos, proibitivamente caros. Nossa empresa pode projetar todos esses componentes como um único sistema integrado, permitindo-nos fornecer soluções eficientes e econômicas.

4. Apoio a pedidos de subsídios
O aquecimento por águas subterrâneas também é uma forma de energia renovável. Atualmente, existem subsídios disponíveis do Ministério da Economia, Comércio e Indústria, do Ministério do Meio Ambiente e de outras organizações para ajudar a cobrir os custos de instalação. Nossa empresa oferece serviços de apoio desde a preparação da documentação de candidatura até a elaboração de relatórios, e nossa taxa de sucesso até o momento é de 1001 candidaturas e 3 projetos. (Dados de fevereiro de 2018)

Economize energia com energia renovável! Aproveite ao máximo o calor geotérmico e das águas subterrâneas.

Nossa esperança é que o uso do calor geotérmico, que utiliza energia renovável com inúmeras vantagens, ajude os negócios e a vida de muito mais pessoas.
Para um desenvolvimento social sustentável e estratégias de negócios sustentáveis, considere a utilização do calor das águas subterrâneas.